压电晶体微杆的超声合成 促进仿生凝胶矿化

大自然里的骨骼、贝壳和昆虫外骨骼都通过一个称为“矿物化”的自然过程变得坚固。这个过程涉及矿物质的沉积，使得这些生物结构不仅坚硬，还能适应环境压力。科学家们正从这些自然现象中汲取灵感，开发新型的合成材料。他们在水凝胶中培育出类似于骨骼中的矿物质，这种材料在组织工程和再生医学中非常有用。更进一步，他们利用3D打印等高级技术制造出具有复杂结构的矿化水凝胶。

一个特别有趣的例子是有研究者使用压电效应来促进矿物化。芝加哥大学Aaron P. Esser-Kahn团队发现当压电材料受到压力时，它们会产生电荷，这可以用来促使某些化学物质沉积成矿物。例如，ZnO纳米颗粒在机械振动下可以促进硫醇-烯和硫醇-二硫化物反应，这种反应在有机溶液中进行，最终形成微型矿物结构。这项工作为定制具有机械性能的复合材料开辟了新路径。

早在2021年，Aaron P. Esser-Kahn团队就在Nature Materials 上报道过一项成果，即通过振动诱导交联的仿生机械自适应材料。仿生材料的适应性可以通过机械响应的ZnO来控制。

进一步，他们开发了一种利用超声波刺激促成ZnO压电晶体微杆形成，制备无机矿物化聚合物复合材料的新方法。团队通过改变压电响应复合材料的机械性能，创造出能够自发诱导矿物化以实现机械介导硬化的材料。该策略允许在聚合物基体中将球形的压电纳米颗粒批量转化为棒状微，并可以与各种聚合物基材和溶剂兼容。

图1 晶体微杆形成过程

图2 微棒在交联聚合物有机凝胶中的原位生长

在这项研究中，研究团队开发了一种通过超声波搅拌，利用ZnO纳米颗粒和McMT反应来合成晶体微杆的方法。进一步对这些微杆进行的化学表征明确显示，它们是晶态的Zn(McMT)n复合物。此外，研究者还通过流变学和扫描电镜成像技术来研究微杆的形成机制，发现了ZnO纳米颗粒不仅是Zn²⁺离子的来源，还充当了晶体生长的成核点。研究者进一步展示了将这些微杆培育于聚合物溶液和有机凝胶中的两种潜在应用，从而在合成有机环境中模拟生物矿化的过程。该工作近期发表在Nature Comuunications上，引起了不小的关注。

它的创新之处在于开发了一种通过超声波搅拌促进ZnO纳米颗粒和McMT反应的新方法，成功合成了具有独特化学组成的晶体微杆。此外，该研究在合成有机环境中模拟生物矿化过程，并展示了如何控制微杆的生长和形态，为材料科学和生物医学领域提供了新的研究方向和应用潜力。

该研究进一步展示了如何将生物界的矿物化过程应用到合成材料中，还为制造具有定制机械性能的复合材料开辟了新路径。未来需要进一步研究不同条件下微杆的生长过程，以及如何实现形态可控。此外，还需要探索改善聚合物基质与微杆之间的结合方式进一步提升复合材料的机械性能。

团队负责人Aaron Esser-Kahn是芝加哥大学分子工程学教授。他的主要研究兴趣是免疫工程和改善疫苗接种中的免疫反应。在这里，他的团队致力于通过更好地理解免疫反应和寻找新的方法来操纵和改善反应，从而改善先天免疫反应。他的另外一个研究领域是生物适应性材料。在这里，他的团队致力于开发能够模仿人体反应和适应外部环境的能力的材料，从而提供力介导的适应性。

参考文献

1：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43733-x

2：https://pme.uchicago.edu/faculty/aaron-esser-kahn

3：https://www.nature.com/articles/s41563-021-00932-5